礦用電機車變頻調速系統的設計與實現

李謨發 張碧 鄧鵬 周獻

摘? 要：交流傳動系統從電氣牽引特性、制動特性、能耗和維修保養等方面都優于直流傳動系統。文章提出一種以DSP與FPGA作為主要硬件組成的礦用機車變頻調速裝置，給出了調速裝置的整體設計方案與基于異步電機轉子磁場定向的矢量控制算法，研制了一套變頻調速裝置，試驗結果表明該調速裝置的輸出電量正弦度好，諧波含量小及較好的控制效果。

關鍵詞：矢量控制;礦用電機車;變頻器

中圖分類號：TD64? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0102-03

Abstract： Analysis of the electric driving and braking， energy consumption and maintenance， AC drive system has better performance compared to DC drive system. The author proposed a kind of variable frequency speed governing device used in mining locomotive which took DSP and FPGA as the main hardware composition， and presented its holistic design proposal and the algorithm based on rotor field-orientation vector control of the asynchronous motor， and developed a set of equipment with variable frequency and adjustable speed. Its testing results indicates the equipment has typically sine-shaped output， poor harmonic wave and better controlling effects.

Keywords： vector control; mining locomotive; variable frequency converter

引言

蓄電池與架線式電機車是煤礦、金屬礦山和隧道工程中的重要運輸工具，其可靠性和節能性在某種程度上對礦產資源的開發效率起著關鍵性的作用，對鐵道與水利工程的建設速度也起到一定的促進作用。目前我國礦用電機車的牽引動力主要靠直流傳動。由于直流電機造價高、可靠性低、換向器易損壞，維修周期長，而且啟動、調速和制動均采用電阻直接控制，能耗大。面對我國煤炭、金屬等工礦事業的高速發展，性能落后的直流傳動技術已遠遠不能滿足企業的發展。因此，將直流電機車調速系統改造為交流電機變頻調速系統勢在必行[1]。

1 系統整體設計

礦用機車結構框圖如圖1所示[2]，主要包括了電抗器箱，斷路器箱，制動電阻箱，逆變模塊，司機控制臺，電壓電流傳感器，速度傳感器，空壓機裝置。其中司機控制臺中包含有機車控制電源與照明電源顯示器，蓄電池，分壓電阻與電壓表，手輪調速器。蓄電池是給數字控制電源供電的，這就保證了運行與維護的方便。其中最關鍵的是控制單元的設計。本文以DSP與FPGA作為主控器件，基于電機轉子磁場定向的控制算法，綜合考慮礦用機車運行過程中的特殊條件，研制了一套架線式550V的礦用機車變頻調速裝置。

2 變頻調速器的設計

2.1 系統主回路

根據系統實際需要，選用IGBT作為系統的功率變換單元，系統的主回路方案如圖2所示[3]。

圖中輸入電源是直流550V，當系統的功率電路與直流電網接通時，若回路沒有限制電流的元件，則合閘間電路中大的儲能電容將電源短路，電路中有較大的浪涌電流。限制合閘浪涌電流的方法是在儲能電容回路串入限流電阻R1。合閘瞬間將R1串入電容充電回路，充電完畢時，KM1閉合將R1短接。C1為充電電容，R2為放電電阻，當系統需要維修時起到了安全保護作用。RZ為制動電阻，當電機工作在再生制動等發電狀態時，將產生大的回饋電壓，此時通過程序在控制回路中輸出一路信號將VT7接通，能量通過制動電阻RZ放掉。其中的二極管為IGBT自帶的續流二極管。

2.2 控制器硬件設計

該控制系統是專為礦山機車所設計，由于礦山電磁環境十分惡劣，并考慮到以后系統升級需要，對硬件設計的基本要求是有強大的數學運算能力，外設資源豐富，可靠性高，抗干擾能力強[4]。

整個硬件結構框圖如圖3所示，控制器有DSP，FPGA，雙口RAM，存儲器和各種外圍電路組成，外圍電路主要包括電流檢測電路，電壓檢測電路，過流檢測電路，位置信號輸入電路，IGBT驅動電路，顯示電路和串口通信等。

通過檢測電機的電流與速度，把采集到的速度信號送到DSP中專門用來處理脈沖信號的CAP中，采集的電流輸入到FPGA中，經過邏輯處理后，由雙口RAM傳入到DSP中參與電流、速度的控制調節算法，經過轉子磁場定向控制算法后，利用事件管理器實現SVPWM的輸出，經過隔離驅動模塊，控制主電路中的IGBT模塊的通斷，實現對電機的交流矢量交流調速，在正常運行時，通過DSP中的SCI輸出電機的電壓電流，速度等信號，并在參數與狀態顯示電路中可以觀測到。同時可由FPGA檢測到系統的邏輯故障，通過Data interrupt與XINT1之間的通信，可以封鎖PWM的輸出，來達到保護裝置的目的，這些故障信號經SCI輸出給MAXC232，在液晶顯示電路上把故障顯示出來，有便于維護保養。

DSP實現的功能包括：（1）控制程序算法;（2）利用事件管理器實現PWM控制;（3）系統故障保護;（4）網絡通信。

FPGA實現的功能有[5]：（1）電量采樣計算;（2）與DSP之間通過總線實現數據傳輸;（3）PWM反相及死區時間設定;（4）系統故障邏輯判斷和故障顯示及報警。

參數與狀態顯示接口電路：輸出逆變器的工作狀態數據，用于觀測運行狀況。

電源模塊和DC/DC控制電源：將蓄電池組的高壓直流電轉化為控制需要用的24V，15V電源。

三相電流和電機轉速檢測電路：檢測輸出電流和電機速度。

PC接口電路：用于調速裝置的調試與運行維護。

3 系統程序設計

控制裝置以DSP為主控單元，所以著重介紹DSP的程序設計，其主程序主要由初始化程序、中斷程序和功能模塊程序組成。總體結構如圖4所示。

初始化程序進行硬件及變量的初始化，對個寄存器賦初值，只在上電后執行一次，并使能中斷;中斷服務程序包括PWM 定時中斷服務程序和故障保護中斷服務程序兩部分。PWM 定時中斷服務程序流程如圖5所示，主要包括電量采樣和A/D轉換、轉速數據更新、d/q軸下電流的PI調節、坐標變換、磁鏈計算、實現SVPWM算法等功能;功能模塊主要包括人機界面功能、通訊、故障診斷等系統所需的一些輔助功能。

4 實驗結果分析

就研制好的調速控制裝置，在一臺變頻電機上進行試驗，電機空載運行。電機及相關參數為：額定功率11kW;額定電壓380V;額定電流22.6A;額定頻率50Hz;采樣周期0.1ms;速度更新周期1ms。

圖6為控制電路輸出的兩路互補帶死區的PWM波形，容易看出此電路驅動模塊輸出的兩路驅動信號的幅值為±15v，死區時間由微控制器產生。能夠很好地實現對主開關器件的控制。

圖7與圖8為在試驗平臺上采集得到的調速裝置輸出試驗波形，由于電流幅值比電壓幅值小很多，上位機軟件在設計時，對實時波形圖中電流值與實際值比取為30：1，電壓的值與實際值為1：1。從檢測到的波形來看，電壓、電流波形正弦度好，諧波失真小，獲得了較為理想的效果，也證明了該調速裝置程序設計的可行性。

5 結束語

硬件采取DSP與FPGA的協調控制策略，可以發揮各自的優點，實現電機車的高性能調速控制。控制系統中，控制電路采取模塊化的設計，其中以開關量形式的輸出信號均通過光耦隔離，保證了強弱電的隔離，提高了系統穩定性，能夠滿足電機車控制領域對系統高可靠性的要求。

軟件部分采用基于轉子磁場定向的矢量控制算法，軟硬件結合實現了變頻感應電機的全數字化控制。試驗結果表明該調速裝置的整體方案設計合理，控制效果理想。

參考文獻：

[1]高銀峰.礦用電機車采用交流變頻調速拖動的必要性[J].科學咨詢（科技·管理），2015（03）：37-38.

[2]蔡為民.基于DSP矢量控制的礦用電機車動力系統改進[D].安徽理工大學，2012.

[3]劉娜，宋慧，朱青青.礦用電機車牽引控制策略研究[J].煤礦機械，2015，36（06）：116-119.

[4]馮冬生，寇彥飛.基于STM32的礦用電機車速度控制系統設計[J].煤礦機電，2018（02）：48-50.

[5]楊曉慧，楊旭.FPGA系統設計與實例[M].人民郵電出版社，2010.